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嵌入式Linux系統中的快速啟動技術研究

作者: 時間:2008-06-13 來源:單片機與嵌入式系統應用 收藏

  預鏈接(Prelink)利用這一點,修改ELF共享庫和二進制文件,將鏈接信息加入到可執(zhí)行文件中以簡化動態(tài)鏈接重定位,從而使程序啟動加快。預鏈接首先搜集要預鏈接的ELF二進制文件及其所依賴的共享庫,為每個庫分配唯一的虛擬空間位置,并將共享庫重新鏈接到這個基準位置(動態(tài)鏈接器要加載這個庫時,只要虛擬空間地址未被占用,它就會將庫映射到指定位置);然后預鏈接解析二進制或者庫中的所有重定位,并將重定位信息存放到ELF對象,還要將所有依賴庫的列表及校驗和添加到二進制文件或庫中。對于二進制文件,還需列出所有的沖突(在共享庫的自然搜索范圍內對符號的解析不相同)。在運行時,動態(tài)鏈接器先檢查是否所有依賴的庫都已經映射到指定的位置,而且?guī)煳募]有變化,只考慮沖突而不用處理每個庫的重定位,這樣大大提高了程序啟動的速度。使用時要注意的是,若共享庫發(fā)生了改變,則使用它的所有程序都要重新鏈接,否則程序仍要進行耗時的正常重定位。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/84199.htm

  3 和文件系統優(yōu)化

  3.1 代碼執(zhí)行方式

  系統中代碼的執(zhí)行方式主要有3種:

 ?、?完全映射(fully shadowed)。系統程序運行時,將所有的代碼從非易失存儲器(Flash、ROM等)復制到RAM中運行。

 ?、?按需分頁(demand paging)。只復制部分代碼到RAM中。這種方法對RAM中的頁進行導入/導出管理,如果訪問位于虛存中但不在物理RAM中會產生頁錯誤,這時才將代碼和數據映射到RAM中。

 ?、?eXecute In Place ()。在系統啟動時,不將代碼復制到RAM,而是直接在非易失性存儲位置執(zhí)行。RAM中只存放需要不斷變化的數據部分,如圖1所示。如果非易失性存儲器的讀取速度與RAM相近,則可以節(jié)省復制和解壓的時間。NOR Flash和ROM的讀取速度比較快(約100 ns),適合XIP;而NAND Flash的讀操作是基于扇區(qū)的,速度相對很慢(μs級),因此不宜實現XIP。

  圖1 完全映射和XIP的比較

  XIP可以分為以下2種:

 ?、?內核XIP。直接在Flash/ROM中運行內核,可以節(jié)省復制和映像解壓的時間。 2.6.10內核已經包含了XIP支持。

 ?、?應用程序XIP。直接從應用程序代碼的存儲位置執(zhí)行,而不用將它加載到RAM中,這樣應用程序的第一次執(zhí)行速度會比較快。要使用應用程序XIP,應該基于支持它的文件系統。

  3.2 XIP文件系統

  目前XIP文件系統的實現主要有2種: Linear XIP CRAMFS和Advanced XIP File System(AXFS)。

  CRAMFS是一個壓縮的只讀文件系統,本來用于桌面系統的啟動,但CRAMFS經過修改后可以支持系統并支持XIP。Linear XIP CRAMFS用一個sticky bit對它管理的文件進行區(qū)分,標記為壓縮(按需分頁)或者未壓縮(XIP)。如果文件標記為XIP,則所有頁都不壓縮,而且要在Flash中連續(xù)存儲。在加載XIP文件時,直接對所有頁地址進行映射;而按需分頁的文件則在發(fā)生頁錯誤時,將相應頁解壓到RAM中。

  要創(chuàng)建Linear XIP CRAMFS文件系統映像,必須確定可執(zhí)行文件和庫文件的使用頻率,頻繁使用的文件適合于XIP,而其他文件應該進行壓縮?,F在有一些工具(如RAMUST和CFSST)可以幫助判斷哪些文件需要XIP,而哪些不需要。下面就可以給XIP文件加上標記并制作根文件系統,以使用mkfs.cramfs工具為例:

  chmod +t filenames

  mkfs.cramfs-x rootfs rootfs.bin

  另外,還要修改內核配置參數以支持XIP:在啟動選項中向默認內核命令字符串中加入
rootfstype=cramfs,選擇內核XIP并設置XIP內核物理地址;在驅動程序中加入MTD對XIP的支持;在文件系統中加入對Linear XIP CRAMFS的支持。接下來就可以生成XIP映像了。

  Linear XIP CRAMFS的一個缺陷在于它是基于文件的,即一個文件中的所有頁要么全部采用XIP,要么全部采用壓縮/按需分頁,但事實上同一文件中不同頁的使用頻率區(qū)別也很大。AXFS是Intel公司開發(fā)的一個新的只讀文件系統,它從Linear XIP CRAMFS中繼承了許多方法,同時也進行了一些改進。AXFS的XIP粒度是基于頁的,并且自帶工具來判斷哪些頁需要XIP,哪些頁需要壓縮,從而更好地在速度和RAM/Flash的使用上取得平衡。

  3.3 非XIP文件系統

  XIP一般基于NOR Flash,成本相對較高。對于用戶數據量大的應用,往往還要使用基于NAND Flash的,非XIP的文件系統常用的有JFFS2/YAFFS。

  JFFS2是一種基于壓縮的文件系統。在多媒體應用中,如果圖片、音視頻已經經過壓縮,則使用JFFS2無疑會給CPU帶來雙重的壓縮/解壓負擔,訪問速度也會受到影響。因此,在這類應用比較密集的應用中,采用不壓縮的文件系統(如YAFFS/YAFFS2)可以加快系統速度。

  YAFFS/YAFFS2是專為嵌入式系統使用NAND Flash設計的日志文件系統。與JFFS2相比,減少了一些功能(例如不支持數據壓縮),所以速度更快,掛載時間很短,對內存的占用較小。YAFFS/YAFFS2自帶NAND芯片的驅動,用戶可以不使用MTD和VFS,直接對文件系統操作。YAFFS與YAFFS2的主要區(qū)別在于:前者僅支持小頁(512字節(jié)) NAND Flash;后者則可支持大頁(2 KB) NAND Flash,同時在內存使用、垃圾回收、訪問速度等方面有所改進。

  結語

  對于嵌入式系統是比較迫切的要求之一。本文通過分析嵌入式系統的引導過程和關鍵時延因素,提出了相應的解決辦法,并對XIP文件系統進行了介紹。由于啟動速度非常依賴于硬件平臺,而且有的方法互相排斥,因此在具體應用時需要綜合考慮和選擇。

  參考文獻

  [1] Tim Bird R. Methods to Improve Bootup Time in Linux [R]. Proceedings of the Linux Symposium, Ottawa,2004.

  [2] Karim Yaghmour. 構建嵌入式Linux系統[M]. 北京:中電力出版社, 2004: 49-66.

  [3] 陳莉君. 深入分析Linux內核源代碼[M]. 北京:民郵電出版社, 2001: 477-499.

  [4] 左大全,吳剛. 嵌入式Linux與XIP應用[J]. 計算機工程與科學,2006(12).

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